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光栅单色仪的原理与定标

单色仪的原理|定标

单色仪是一种常用的分光仪器,利用色散元件把复色光分解为准单色光,能输出一系列独立的、光谱区间足够窄的单色光,可用于各种光谱分析和光谱特性的研究,如测量介质的光谱透射率曲线、光源的光谱能量分布、光电探测器的光谱响应等,应用相当广泛。

单色仪的原理

单色仪是一种分光仪器,它通过色散元件的分光作用,把复色光分解成它的单色组成。根据采用色散元件的不同,可分为棱镜单色仪和光栅单色仪两大类,其应用的光谱区很广,从紫外、可见、近红外一直到远红外。对不同的光谱区域,一般需换用不同的棱镜或光栅。

平面光栅单色仪的工作原理是光源发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上,S1位于离轴抛物镜的焦面上。光经过M1平行照射到光栅上,并经过光栅的衍射回到M1,经M1反射的光经过M2会聚到S2出射狭缝上。由于光栅的衍射作用,从出射狭缝出来的光线为单色光。当光栅转动时,从出射狭缝里出来的光由短波到长波依次出现。这种光学系统称为李特洛式光学系统,见下图所示。

一般光源所辐射的光往往是由各种波长的光组成。如果各种波长是连续变化的,那么这类光源称为连续光源。由于光源的光谱分布与光的物质特性有关,因此测定光源的光谱分布是研究物质内部微观结构的重要工具之一。

单色仪的基本特性是其单色性和出射单色光的强度,实验中,一般总是希望出射的单色光的光谱宽度尽量窄(即单色性尽量好)和单色光的强度尽量高。除了平面光栅的色散率的大小外,单色仪出射光的光谱宽度的宽窄主要由缝宽,衍射和像差等因素决定,其中像差在设计调整时已尽量减小。在正常情况下,对单色仪来说,主要是解决缝宽和色差问题。

缝宽的选择,一方面使缝宽尽可能窄,使相邻两波尽可能分开,另一方面,缝的宽度又不能太小,否则出射的单色光的强度变得太小,而无法探测到。一般要求出射狭缝宽等于入射缝宽,本仪器出入狭缝均为两档,狭缝分别为0.15mm0.3mm输出的单色光谱波长,从波长鼓轮直接读取,至于缝宽究竟选择多少,则要根据光强的强弱和接收器的灵敏度来决定。

单色仪的分类

单色仪有多种,从不同的角度对它有不同的分类,如按物镜的形成可分为透射式单色仪和反射式单色仪,按色散元件可分为棱镜单色仪和光栅单色仪。

棱镜单色仪:

棱镜的工作光谱区受到材料的限制(光的波长小于120nm,大于50μm时不能使用),光栅单色仪的角色散率与波长无关,棱镜单色仪的角色散率与波长有关。棱镜单色仪的尺寸越大分辨率越高,但制造越困难,同样分辨率的光栅重量轻,制造容易。

光栅单色仪:

光栅单色仪存在光谱重叠,棱镜光谱仪没有。光栅单色仪存在鬼线(由于刻划误差造成),棱镜单色仪没有。

单色仪的定标

单色仪出厂时,一般都附有定标曲线的数据或图表供查阅,但经过长期使用或重新装调后,数据会发生变化,需重新定标,以对原数据进行修正。

单色仪的定标是借助于波长已知的线光谱以获取对应的鼓轮读数。为了获得较多的点,必须有一组光源。通常采用汞灯、氢灯、钠灯、氖灯以及用铜、锌、铁做电极的弧光光源等。

1、观察入射狭缝和出射狭缝的结构,了解缝宽的调节、读数以及狭缝使用时的注意事项,选取适当的缝宽以获取足够的强度及较好的单色性。

2、在入射狭缝前放置汞灯,为了充分利用进入单色仪的光能,光源应放置在入射准直系统(S1M1)的光轴上。在单色仪光源与入射缝之间加入聚光透镜,适当选择透镜的焦距和口径,使其相对口径与仪器的相对口径匹配。这样,可获得***亮度的出射谱线,同时又减少了单色仪内部的杂散光。调节聚光透镜的位置,使出射狭缝呈现的谱线最明亮。

3、将低倍显微镜置于出射狭缝处,对出射狭缝进行调焦,使显微镜视场中观察到的汞谱线最清晰。为使谱线尽量细锐并有足够的亮度,应使入射缝S1尽可能小,出射狭缝可适当大些。根据可见光区汞灯主要谱线的波长、颜色、相对强度和谱线间距辨认谱线。

4、使显微镜的十字叉丝对准出射狭缝的中心位置,缓慢地转动鼓轮,直到各谱线中心依次对准显微镜的叉丝时,分别记下鼓轮读数(L)与其所对应的波长(λ)。为了避免回程差,应采用从紫光到红光(或相反)的过程,重复测量几次,取其平均值。

5、以光谱线波长(λ)为横坐标,鼓轮读数(L)为纵坐标画曲线,即能得到单色仪的定标曲线。

 


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